DE102007060550A1 - System and process for low emission combustion - Google Patents

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Abstract

Ein Turbinensystem (10) weist einen Verdichter (12) zum Komprimieren von Luft (20) zur Erzeugung eines Druckluftstroms (22), eine Luftzerlegungseinheit (18) zum Aufnehmen und Zerlegen wenigstens eines Teils des Druckluftstroms in Sauerstoff und einen sauerstoffarmen Strom (28), eine Brennkammer (14) zum Aufnehmen und Verbrennen wenigstens eines Teils des sauerstoffarmen Stroms (28) eines Teils des Druckluftstroms und eines Brennstoffes zum Erzeugen von Hochtemperatur-Abgas (32) und eine Turbine (16) zum Aufnehmen und Expandieren des Hochtemperaturgases (36) zum Erzeugen von Elektrizität und eines NO<SUB>x</SUB>-armen Abgases (36) mit niedriger Temperatur auf.A turbine system (10) includes a compressor (12) for compressing air (20) to produce a pressurized air stream (22), an air separation unit (18) for receiving and disassembling at least a portion of the compressed air stream into oxygen and a low oxygen stream (28), a combustor (14) for receiving and combusting at least a portion of the low oxygen stream (28) of a portion of the compressed air stream and a fuel for producing high temperature exhaust gas (32) and a turbine (16) for receiving and expanding the high temperature gas (36) Generating electricity and a low-temperature NO <SUB> x </ SUB> exhaust gas (36).

Description

Hintergrundbackground

Die Erfindung betrifft im Wesentlichen Vergasungs- und Verbrennungstechnologien und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen für emissionsarme Verbrennung.The The invention relates generally to gasification and combustion technologies and in particular, methods and apparatus for low emission combustion.

Integrierte Vergasungs-Kombinationszyklus-(IGCC)-Systeme sind eine viel versprechende Technologie zur Energieerzeugung, da sie die Möglichkeit einer Erzeugung von Elektrizität aus reichlich vorhandenen Brennstoffen, wie z. B. Kohle, Biomasse, Petrolkoks, Siedlungsmüll und anderen Brennstoffmaterial mit reduzierten Emissionen ermöglichen. Ein IGCC-System enthält typischerweise eine Luftzerlegungseinheit (ASU), ein Vergasungssystem und ein Gasturbinen-Kombinationszyklussystem. Unter Druck stehender hoch reiner Sauerstoff wird in der ASU erzeugt und an eine Vergasungseinrichtung gesendet. In der Vergasungseinrichtung reagiert Brennstoffmaterial mit dem Sauerstoff bei Vorhandensein von Dampf unter Erzeugung von Kohlenmonoxid-(CO) und Wasserstoff-(H2) reichen Synthesegas. Das Wasserstoff enthaltende Synthesegas wird in der Brennkammer des Gasturbinen-Kombinationszyklussystems verbrannt. Derzeitige Synthesegas-Brennkammern sind Diffusions-Brennkammern und Dampf wird üblicherweise als ein Verdünnungsmittel genutzt, um die thermische Stickoxid-(NOx)-Bildung zu reduzieren. Die Verwendung von Dampf als ein Verdünnungsmittel in der Synthesegasverbrennung bringt eine Einschränkung in der maximalen Turbineneinlasstemperatur, die erreicht werden kann, mit sich, und beschränkt somit den maximalen Wirkungsgrad.Integrated Combustion Combination Cycle (IGCC) systems are a promising technology for power generation because they allow the possibility of generating electricity from abundant fuels such as fuels. As coal, biomass, petroleum coke, municipal waste and other fuel material with reduced emissions allow. An IGCC system typically includes an air separation unit (ASU), a gasification system, and a gas turbine combination cycle system. High pressure pressurized oxygen is generated in the ASU and sent to a gasifier. In the gasifier, fuel material reacts with the oxygen in the presence of steam to produce carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) rich synthesis gas. The synthesis gas containing hydrogen is burned in the combustion chamber of the gas turbine combination cycle system. Current synthesis gas combustors are diffusion combustors and steam is commonly used as a diluent to reduce thermal nitric oxide (NO x ) formation. The use of steam as a diluent in syngas combustion entails a limitation in the maximum turbine inlet temperature that can be achieved, thus limiting maximum efficiency.

Einige von den Herausforderungen, denen man derzeit bei der Kommerzialisierung von IGCC-Systemen zur Energieerzeugung gegenübersteht, beinhalten hohe Kapitalkosten im Vergleich zu anderen Energieerzeugungstechnologien, wie z. B. von Kohlenstaub-Anlagen. Um den Gesamtwirkungsgrad des IGCC-Systems zu verbessern, werden derzeit unterschiedliche Integrationsverfahren für verschiedene Subsysteme untersucht. Einige von diesen beinhalten die Zuführung des für die Synthesegasreinigung und Verbrennungsverdünnung erforderlichen Dampfes aus dem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (HRSG) des Gasturbinensystems, sowie die Komprimierung der für die ASU erforderlichen Luft unter Verwendung des Verdichters der Gasturbine.Some from the challenges currently being encountered in commercialization IGCC energy generation systems involve high capital costs compared to other power generation technologies, such as B. from Pulverized coal plants. To the overall efficiency of the IGCC system are currently undergoing different integration processes for different Subsystems examined. Some of these include the feeder of the for the Synthesis gas purification and combustion dilution required steam from the heat recovery steam generator (HRSG) of the gas turbine system, as well as the compression of the ASU required air using the compressor of the gas turbine.

Demzufolge besteht noch ein Bedarf für die weitergehende Integration der verschiedenen Subsysteme des IGCC-Systems, um den Gesamtwirkungsgrad zu steigern, und ein Entwicklungsbedarf von Verbrennungstechnologien, welche höhere Turbineneinlasstemperaturen ermöglichen, ohne entsprechend die thermische NOx-Erzeugung zu erhöhen.Accordingly, there remains a need for further integration of the various subsystems of the IGCC system to increase overall efficiency and a developmental need for combustion technologies that allow higher turbine inlet temperatures without correspondingly increasing thermal NO x production.

KURZBESCHREIBUNGSUMMARY

Ein Turbinensystem weist einen Verdichter zum Komprimieren von Luft zum Erzeugen eines Druckluftstroms, eine Luftzerlegungseinheit zum Aufnehmen und Zerlegen wenigstens eines Teils des Druckluftstroms in Sauerstoff und einen sauerstoffarmen Strom, eine Brennkammer zum Aufnehmen und Verbrennen wenigstens eines Teils des sauerstoffarmen Stroms, eines Teils des Druckluftstroms und eines Brennstoffs, um Hochtemperatur-Abgas zu erzeugen, und eine Turbine zum Aufnehmen und Expandieren des Hochtemperatur-Abgases zum Erzeugen von E lektrizität und eines NOx-armen Abgases mit reduzierter Temperatur.A turbine system includes a compressor for compressing air to produce a stream of compressed air, an air separation unit for receiving and disassembling at least a portion of the compressed air stream into oxygen and a low oxygen stream, a combustor for receiving and combusting at least a portion of the low oxygen stream, a portion of the compressed air stream, and a fuel to produce high temperature exhaust gas, and a turbine for receiving and expanding the high-temperature exhaust gas lektrizität for generating e and a low NOx exhaust gas with a reduced temperature.

ZEICHNUNGENDRAWINGS

Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen bezeichnen, wobei:These and other features, aspects and advantages of the present invention become better understood, if the following detailed description with reference to the attached drawings is read, in which same reference numerals the same parts throughout denote the drawings, wherein:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. 1 a schematic representation of an embodiment of the present invention is.

2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. 2 is a schematic representation of another embodiment of the present invention.

3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. 3 is a schematic representation of another embodiment of the present invention.

4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. 4 is a schematic representation of another embodiment of the present invention.

5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. 5 is a schematic representation of another embodiment of the present invention.

6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. 6 is a schematic representation of another embodiment of the present invention.

7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. 7 is a schematic representation of another embodiment of the present invention.

8 eine schematische Darstellung einer weiterer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. 8th a schematic representation of another embodiment of the present invention is.

9 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. 9 is a schematic representation of another embodiment of the present invention.

10 eine graphische Darstellung von NOx-Daten für variierende Werte des Sauerstoffanteils an dem Brennkammereinlass ist. 10 Figure 4 is a graph of NO x data for varying values of oxygen content at the combustor inlet.

11 eine graphische Darstellung von NOx-Daten für variierende Werte des Sauerstoffanteils an dem Brennkammereinlass und bei verschiedenen Brennkammerflammentemperaturen ist. 11 Figure 5 is a graph of NO x data for varying values of oxygen content at the combustor inlet and at different combustor flame temperatures.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Ein einen Verdichter 12, eine Brennkammer 14, eine Turbine 16 und eine Luftzerlegungseinheit (ASU) 18 aufweisendes Turbinensystem 12 ist in 1 dargestellt. So wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff ASU jedes System oder Teilsystem, das Luft aufnehmen und einen Sauerstoffstrom und einen sauerstoffarmen Strom und optional einen Stickstoffstrom ausgeben kann. So wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff Sauerstoffstrom einen Strom, der aus mehr als 80 Volumenprozent Sauerstoff besteht, während der sauerstoffarme Strom einen aus weniger als etwa 20 Volumenprozent Sauerstoff bestehenden Strom bedeutet.A compressor 12 , a combustion chamber 14 , a turbine 16 and an air separation unit (ASU) 18 having turbine system 12 is in 1 shown. As used herein, the term ASU means any system or subsystem that can receive air and output an oxygen stream and a low oxygen stream, and optionally a nitrogen stream. As used herein, the term oxygen flow means a stream that is greater than 80 volume percent oxygen, while the low oxygen content stream is less than about 20 volume percent oxygen.

Luft 20 wird in den Verdichter 12 komprimiert, um einen Druckluftstrom 22 zu erzeugen. Ein zweiter Luftstrom 24 wird in die ASU 18 eingeführt, um einen Sauerstoff-(O2)-Strom 26 und einen sauerstoffarmen Strom 28 zu erzeugen. Wenigstens ein Teil des sauerstoffarmen Stroms 28 und wenigstens ein Teil des Druckluftstroms 22 werden der Brennkammer 14 zur Verbrennung mit einem Brennstoff zum Erzeugen eines Hochdruck-Hochtemperatur-Abgases 32 zugeführt. Das Hochtemperatur-Abgas 32 wird der Turbine 16 zur Expansion und zur Erzeugung von Elektrizität über einen Generator 34 und eines NOx-armen Abgases 36 mit niedriger Temperatur zugeführt. So wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff NOx-armes Abgas ein Abgas mit weniger als 30 Teilen pro Million (ppm) NOx, und typischerweise weniger als 20 ppm und oft weniger als etwa 10 ppm. Tatsächlich kann in einigen Ausführungsformen der NOx-Pegel bei weniger als 5 ppm und darunter liegen. Der sauerstoffarme Strom 28 verdünnt den gesamten Sauerstoffanteil in der Brennkammer 14, und verringert dadurch die Spitzenverbrennungstemperatur und die NOx-Erzeugung. Luft 20 ohne die Verdünnung aus dem sauerstoffarmen Strom 28 weist typischerweise einen Sauerstoffanteil von etwa 21% auf. Durch die Zusetzung des gesamten oder eines Teils des sauerstoffarmen Stroms 28 in die Brennkammer ist der Sauerstoffgehalt der kombinierten Verbrennungsluft weniger als 21% und typischerweise zwischen etwa 10% bis etwa 20% und oft zwischen 15% bis etwa 18%. Zusätzlich wird die NOx-Erzeugung ebenfalls aufgrund des reduzierten Sauerstoffpartialdrucks in der Verbrennungsflamme reduziert.air 20 gets into the compressor 12 compressed to a compressed air flow 22 to create. A second airflow 24 will be in the ASU 18 introduced to an oxygen (O 2 ) stream 26 and an oxygen-poor stream 28 to create. At least part of the low-oxygen stream 28 and at least part of the compressed air flow 22 be the combustion chamber 14 for combustion with a fuel for generating a high-pressure high-temperature exhaust gas 32 fed. The high-temperature exhaust gas 32 becomes the turbine 16 for expansion and generation of electricity via a generator 34 and a low NO x exhaust gas 36 supplied at a low temperature. As used herein, the term lean NO x exhaust gas means an exhaust gas having less than 30 parts per million (ppm) NO x , and typically less than 20 ppm and often less than about 10 ppm. In fact, in some embodiments, the NO x level may be less than 5 ppm and less. The low-oxygen stream 28 Dilutes the entire oxygen content in the combustion chamber 14 , thereby reducing peak combustion temperature and NO x production. air 20 without the dilution from the oxygen-poor stream 28 typically has an oxygen content of about 21%. By adding all or part of the low-oxygen stream 28 into the combustion chamber, the oxygen content of the combined combustion air is less than 21% and typically between about 10% to about 20% and often between 15% to about 18%. In addition, the NO x production is also reduced due to the reduced oxygen partial pressure in the combustion flame.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung 50 wird der sauerstoffarme Strom 28 einem Verdichter 51 zugeführt und zusammen mit Luft 20 komprimiert, um einen Mischdruckluftstrom 52 gemäß Darstellung in 2 zu erzeugen. Der Mischdruckluftstrom 52 wird einer Brennkammer 14 zur Verbrennung mit Brennstoff 20 zur Erzeugung von Hochdruck-Hochtemperatur-Abgas 32 zugeführt. Das Hochtemperatur-Abgas 32 wird einer Turbine 16 zur Expansion und Erzeugung von Elektrizität über einen Generator 34 und von NOx-armen Abgas 36 mit reduzierter Temperatur zugeführt. In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Verdichter 51 einen Erststufen-Verdichterabschnitt 54 und einen Zweitstufen-Verdichterabschnitt 56 auf. In einer Ausführungsform wird der sauerstoffarme Strom 28 in den Zweitstufen-Verdichterabschnitt 56 zur Vermischung mit einem Druckluftstrom 58 aus dem Erststufen-Verdichterabschnitt 54 geleitet. In noch einer weiteren Ausführungsform nimmt ein optionaler Zwischenkühler 60 den sauerstoffarmen Strom 28 und den Druckluftstrom 58 auf und vermischt diese, um einen Mischdruckluftstrom 62 zu erzeugen, der dem Zweitstufen-Verdichterabschnitt 56 zur Kompression zugeführt wird, um einen Mischdruckluftstrom 52 zu erzeugen. Diese Ausführungsform ist besonders attraktiv, da verschiedene kommerzielle Gasturbinensysteme, wie z. B. das GE LMS 100, derzeit einen mehrstufigen Verdichter und einen Zwischenkühler verwenden, was Nachrüstanwendungen sowohl erwünscht als auch praktisch implementierbar macht.In a further embodiment of the invention 50 becomes the oxygen-poor stream 28 a compressor 51 fed and together with air 20 compressed to a mixed compressed air flow 52 as shown in 2 to create. The mixed compressed air flow 52 becomes a combustion chamber 14 for combustion with fuel 20 for generating high pressure high temperature exhaust gas 32 fed. The high-temperature exhaust gas 32 becomes a turbine 16 for expansion and generation of electricity via a generator 34 and x-poor of NO gas 36 supplied at a reduced temperature. In one embodiment of the invention, the compressor 51 a first stage compressor section 54 and a second stage compressor section 56 on. In one embodiment, the oxygen-poor stream 28 in the second stage compressor section 56 for mixing with a compressed air stream 58 from the first stage compressor section 54 directed. In yet another embodiment, an optional intercooler takes 60 the low-oxygen stream 28 and the compressed air flow 58 and mixes them to a mixed compressed air flow 62 to produce the second stage compressor section 56 for compression is supplied to a mixed compressed air flow 52 to create. This embodiment is particularly attractive since various commercial gas turbine systems, such as. For example, the GE LMS 100 currently uses a multi-stage compressor and intercooler, making retrofit applications both desirable and practical.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Druckluftstrom 22 in zwei Ströme eines ersten Teils 102 und eines zweiten Teils 104 gemäß Darstellung in 3 aufgeteilt. Der erste Teil 102 des Druckluftstroms 22 wird der ASU 18 zugeführt, um einen Sauerstoffstrom 26 und einen sauerstoffarmen Strom 28 zu erzeugen. Der zweite Teil 104 wird einem optionalen Mischer 106 zugeführt, wo der zweite Teil 104 mit dem sauerstoffarmen Strom 28 vermischt wird, um einen Mischstrom 108 zu erzeugen. Der Mischstrom 108 wird dann der Brennkammer 14 zur Verbrennung mit Brennstoff 30 zugeführt. (Alternativ werden der zweite Teil 104 und der sauerstoffarme Strom 28 in die Brennkammer 14 geleitet). In dieser Ausführungsform verwendet das System in vorteilhafter Weise nur einen Kompressionszyklus, um sowohl die der Brennkammer 14 zu geführte Luft als auch die der ASU 18 zugeführte Luft zu komprimieren, um dadurch Kapitalinvestition, Betriebs- und Wartungsaufwendungen zu sparen und den Gesamtflächenbedarf des Systems zu beschränken.In a further embodiment of the invention, the compressed air flow 22 into two streams of a first part 102 and a second part 104 as shown in 3 divided up. The first part 102 of compressed air flow 22 becomes the ASU 18 fed to an oxygen stream 26 and an oxygen-poor stream 28 to create. The second part 104 becomes an optional mixer 106 fed where the second part 104 with the oxygen-poor electricity 28 is mixed to a mixed stream 108 to create. The mixed stream 108 then becomes the combustion chamber 14 for combustion with fuel 30 fed. (Alternatively, the second part 104 and the oxygen-poor electricity 28 into the combustion chamber 14 passed). In this embodiment, the system advantageously uses only one compression cycle around both the combustion chamber 14 to guided air as well as the ASU 18 compressed air to thereby save capital investment, operating and maintenance costs and to limit the total area requirements of the system.

In einer weiteren Ausführungsform 200 der Erfindung wird der Sauerstoffstrom 26 einer Vergasungseinrichtung 200 zugeführt, wo er mit einem kohlenstoffhaltigen Material 204 reagiert wird, um ein Synthesegas 206 gemäß Darstellung in 4 zu erzeugen. Ein Teil 208 des Sauerstoffstroms kann aufgeteilt werden und anderweitig genutzt werden, beispielsweise könnte der Teil 208 erfasst, gelagert und transportiert werden. Das Synthesegas 206 wird einem Synthesegasverarbeitungssystem 210 zur Umwandlung des Synthesegases 206 in einen gereinigten Brennstoff 212 zugeführt. Der gereinigte Brennstoff 212 wird in eine Brennkammer 114 zur Verbrennung mit dem Mischstrom 108 eingeführt. Diese Ausführungsform stellt den Vorteil der Anwendung einer Lösung mit geringem NOx für bestehende Vergasungssysteme bereit. Die meisten Vergasungssysteme enthalten eine ASU als eine Standardkomponente des Systems, so dass die Systemintegration einfach wäre.In a further embodiment 200 The invention is the oxygen flow 26 a gasification device 200 fed, where he with a carbonaceous material 204 reacts to a synthesis gas 206 as shown in 4 to create. A part 208 of the oxygen stream can be split and used elsewhere, for example, the part 208 recorded, stored and transported. The synthesis gas 206 becomes a synthesis gas processing system 210 for the conversion of the synthesis gas 206 in a purified fuel 212 fed. The cleaned fuel 212 gets into a combustion chamber 114 for combustion with the mixed stream 108 introduced. This embodiment provides the advantage of using a solution with low NO x for existing gasification systems. Most gasification systems include an ASU as a standard component of the system, so system integration would be easy.

In einer weiteren Ausführungsform 300 der Erfindung weist der Verdichter 12 einen Erststufen-Verdichter 302 und einen Zweitstufen-Verdichter 304 gemäß Darstellung in 5 auf. Die Luft 305 wird dem Erststufen-Verdichter 302 zum Erzeugen eines Druckluftstroms 306 zugeführt, der der ASU 18 zugeführt wird. Der Zweitstufen-Verdichter 304 nimmt die Luft 20 auf und erzeugt einen Druckluftstrom 22, der dem Mischer 106 zum Mischen des Druckluftstroms 22 mit dem sauerstoffarmen Strom 28 zugeführt wird.In a further embodiment 300 The invention relates to the compressor 12 a first-stage compressor 302 and a second stage compressor 304 as shown in 5 on. The air 305 becomes the first-stage compressor 302 for generating a compressed air flow 306 supplied to the ASU 18 is supplied. The second stage compressor 304 takes the air 20 and generates a compressed air flow 22 , the mixer 106 for mixing the compressed air flow 22 with the oxygen-poor electricity 28 is supplied.

In einer weiteren Ausführungsform 400 der Erfindung wird der sauerstoffarme Strom 28 in den Zweitstufen-Verdichter 304 eingeführt und zusammen mit Luft 20 komprimiert, um einen Mischdruckluftstrom 402 gemäß Darstellung in 6 zu erzeugen. Der Mischdruckluftstrom 402 wird einer Brennkammer 14 zur Verbrennung mit dem gereinigten verbrennbaren Brennstoff 212 zugeführt, um Hochdruck-Hochtemperatur-Abgas 32 zu erzeugen. Das Hochtemperatur-Abgas 32 wird der Turbine 16 zur Expansion und Erzeugung von Elektrizität über einen Generator 34 und von NOx-armen Abgas 36 mit reduzierter Temperatur zugeführt. In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nimmt ein optionaler Zwischenkühler 310 den sauerstoffarmen Strom 28 und wenigstens einen Teil des Druckluftstroms 306 auf, und mischt ihn, um einen Mischstrom 312 zu erzeugen, der dem Zweitstufen-Verdichterabschnitt 304 zur Kompression zugeführt wird, um einen Mischdruckluftstrom 402 zu erzeugen.In a further embodiment 400 The invention relates to the oxygen-poor stream 28 in the second stage compressor 304 introduced and together with air 20 compressed to a mixed compressed air flow 402 as shown in 6 to create. The mixed compressed air flow 402 becomes a combustion chamber 14 for combustion with the purified combustible fuel 212 supplied to high-pressure high-temperature exhaust gas 32 to create. The high-temperature exhaust gas 32 becomes the turbine 16 for expansion and generation of electricity via a generator 34 and x-poor of NO gas 36 supplied at a reduced temperature. In yet another embodiment of the invention takes an optional intercooler 310 the low-oxygen stream 28 and at least part of the compressed air flow 306 on, and mix it to a mixed stream 312 to produce the second stage compressor section 304 for compression is supplied to a mixed compressed air flow 402 to create.

In einer weiteren Ausführungsform 500 der Erfindung wird die in Bezug auf 1 diskutierte Ausführungsform weiter modifiziert, so dass sie einen Abgasrückführungs-(EGR)-Kreislauf enthält, wie es in 7 dargestellt ist. Das durch die Turbine 16 erzeugte NOx-arme Abgas 36 wird einem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (HRSG) 502 für die Erzeugung von Dampf 504 und von Abgas 506 mit verringerter Temperatur zugeführt. Der Dampf 504 wird typischerweise einem (nicht dargestellten) Dampfturbinen-Nachschaltkreislauf für die Erzeugung zusätzlicher Elektrizität zugeführt. Das Abgas 506 mit reduzierter Temperatur wird einer Stromaufteilungsvorrichtung 508 zur Aufteilung des Abgases 506 mit reduzierter Temperatur in wenigstens einen ersten Teil 510 und einen zweiten Teil 512 zugeführt. In einer Ausführungsform wird der erste Teil 510 einem Kohlendioxid-Entzugsystem 514 für die Entfernung und Isolation von in dem Strom enthaltenem Kohlen dioxid zugeführt. In einer ersten Ausführungsform beträgt der erste Teil 510 zwischen etwa 50% bis etwa 80% des Abgases 506 mit reduzierter Temperatur.In a further embodiment 500 The invention will be related to 1 is further modified to include an exhaust gas recirculation (EGR) circuit as discussed in U.S.P. 7 is shown. That by the turbine 16 generated low NOx exhaust gas 36 is a heat recovery steam generator (HRSG) 502 for the production of steam 504 and of exhaust 506 supplied at a reduced temperature. The steam 504 typically is supplied to a steam turbine post-scavenging circuit (not shown) for generating additional electricity. The exhaust 506 with reduced temperature is a current splitter device 508 for the distribution of the exhaust gas 506 with reduced temperature in at least a first part 510 and a second part 512 fed. In one embodiment, the first part becomes 510 a carbon dioxide withdrawal system 514 supplied for the removal and isolation of carbon dioxide contained in the stream. In a first embodiment, the first part is 510 between about 50% to about 80% of the exhaust gas 506 with reduced temperature.

Der zweite Teil 512 des Abgases 506 mit reduzierter Temperatur wird, typischerweise über eine Pumpe 516, einem Wasserentfernungssystem 518, wie z. B. einem Kondensator, zum Entfernen des gesamten überschüssigen Wassers und Erzeugen einen sauerstoffarmen, wasserarmen Stroms 520 zugeführt. In einer Ausführungsform liegt der zweite Teil 512 zwischen etwa 20% bis etwa 50% des Abgases 506 mit reduzierter Temperatur. Der sauerstoffarme, wasserarme Strom 520 wird einem Verdichter 12 zur Kompression zusammen mit Luft 20 zugeführt, um einen sauerstoffarmen Druckluftstrom 522 zu erzeugen. Die NOx-Erzeugung in der Brennkammer 14 wird signifikant im Vergleich zu herkömmlichen Systemen verringert, da die Brennkammer 14 mehrere Ströme mit einem reduzierten Sauerstoffanteil, einem sauerstoffarmen Druckluftstrom 522 und einem sauerstoffarmen Strom 28 empfängt. Die Nox-Erzeugung wird aufgrund des reduzierten Sauerstoffpartialdruckes in der Verbrennungsflamme und der geringeren Temperatur der Flamme im Vergleich zur Verbrennung von atmosphärischer Luft reduziert. Zusätzlich ist die Kohlenstoffdioxidbeseitigung in diesem System wesentlich erleichtert, da der erste Teil 510 des Abgases 506 mit reduzierter Temperatur einen geringeren Volumenstrom und einen höheren Kohlendioxidanteil aufweist, welcher die Beseitigung und Isolation des Kohlendioxids wesentlich effizienter bei kleinerem Gesamtflächenbedarf macht. In einer Ausführungsform 600 wird ein wasserarmer Strom 520 in einen Wärmetauscher 602 zusammen mit einem sauerstoffarmen Strom 28 zum Wärmeaustausch dazwischen eingeführt, da die Temperatur des wasserarmen Stroms 520 vor dem Eintritt in den Verdichter 12 reduziert wird und die Temperatur des sauerstoffarmen Stroms 28 vor dem Eintritt in die Brennkammer 14 erhöht wird, wie es in 8 dargestellt ist.The second part 512 the exhaust gas 506 at a reduced temperature, typically via a pump 516 , a water removal system 518 , such as As a condenser, for removing the entire excess water and generating an oxygen-poor, low-water stream 520 fed. In one embodiment, the second part lies 512 between about 20% to about 50% of the exhaust gas 506 with reduced temperature. The oxygen-poor, low-water stream 520 becomes a compressor 12 for compression together with air 20 fed to a low-oxygen compressed air stream 522 to create. The NO x production in the combustion chamber 14 is significantly reduced compared to conventional systems because the combustion chamber 14 several streams with a reduced oxygen content, a low-oxygen compressed air stream 522 and an oxygen-poor stream 28 receives. No x production is reduced due to the reduced oxygen partial pressure in the combustion flame and the lower temperature of the flame compared to the combustion of atmospheric air. In addition, the elimination of carbon dioxide in this system is much facilitated since the first part 510 the exhaust gas 506 with reduced temperature has a lower flow rate and a higher carbon dioxide content, which makes the removal and isolation of carbon dioxide much more efficient with a smaller total area requirement. In one embodiment 600 becomes a low-water stream 520 in a heat exchanger 602 together with a low-oxygen stream 28 introduced to the heat exchange between them, as the temperature of the low-water stream 520 before entering the compressor 12 is reduced and the temperature of the oxygen-poor stream 28 before entering the combustion chamber 14 is increased, as is in 8th is shown.

In einer weiteren Ausführungsform 700 der Erfindung ist die unter Bezugnahme auf 5 diskutierte Ausführungsform weiter so modifiziert, dass sie einen Abgasrückführungs-(EGR)-Kreislauf gemäß Darstellung in 9 enthält. Der sauerstoffarme, wasserarme Strom 520 wird dem Verdichter 12 zur Kompression zusammen mit Luft 20 zum Erzeugen eines sauerstoffarmen Druckluftstroms 522 zugeführt.In a further embodiment 700 the invention is with reference to 5 is further modified to include an exhaust gas recirculation (EGR) circuit as shown in FIG 9 contains. The oxygen-poor, low-water stream 520 gets the compressor 12 for compression together with air 20 for generating an oxygen-poor compressed air flow 522 fed.

10 ist eine graphische Darstellung einer in bestimmten Experimenten demonstrierten (auf 15 Volumenprozent Sauerstoff korrigierten) NOx-Reduzierung, aufgetragen gegenüber dem Sauerstoffpegel an dem Einlass der auf einer festen Flammentemperatur von etwa 1593°C (2900°F) gehaltenen Brennkammer. Gemäß Darstellung aus den Daten tritt eine deutliche Reduzierung im NOx auf, wenn sich der Sauerstoffanteil in der Verbrennungsluft von den standardmäßigen 21 Volumenprozent auf 14 Volumenprozent ändert. Wie in diesen Experimenten demonstriert, wird eine NOx-Reduzierung von etwa 80 Prozent bei einem Sauerstoffgehaltpegel von 14%t im Vergleich zu dem Grundlinienpegel von 21% Sauerstoffanteil gemessen. 10 FIG. 12 is a graphical representation of a NO x reduction (corrected for 15 volume percent oxygen) demonstrated in certain experiments plotted against the oxygen level at the inlet of the combustor held at a fixed flame temperature of about 1593 ° C (2900 ° F). As shown in the data, a significant reduction in NO x occurs when the oxygen content in the combustion air changes from the standard 21% by volume to 14% by volume. As demonstrated in these experiments, an NO x reduction of about 80 percent is measured at an oxygen content level of 14% t compared to the baseline level of 21% oxygen content.

11 ist eine weitere graphische Darstellung, die in bestimmten Experimenten demonstrierte (auf 15 Volumenprozent Sauerstoff korrigierte) NOx-Werte, aufgetragen gegenüber dem Sauerstoffpegel an dem Brennkammereinlass für drei unterschiedliche Flammentemperaturen von etwa 1426°C (2600°F), etwa 1528°C (2800°F) und etwa 1649°C (3000°F) darstellt. Gemäß Darstellung aus den Daten tritt eine signifikante Reduzierung in den NOx-Pegeln auf, sobald der Sauerstoffanteil in der Verbrennungsluft sich von den standardmäßigen 21 Volumenpro zent auf etwa 16 Volumenprozent und weniger ändert. Wie es für alle drei Flammentemperaturen dargestellt ist, sind die NOx-Werte bei 16 Volumenprozent Sauerstoff weniger als 10 ppm und in einem Falle kleiner als 5 ppm, was eine erhebliche Reduzierung der NOx-Werte gegenüber der Grundlinie darstellt. 11 is another graph that demonstrated in certain experiments (15 volume percent oxygen corrected) NO x values plotted against the oxygen level at the combustor inlet for three different flame temperatures of about 1426 ° C (2600 ° F), about 1528 ° C ( 2800 ° F) and about 1649 ° C (3000 ° F). As shown in the data, a significant reduction in NO x levels occurs as soon as the oxygen content in the combustion air changes from the standard 21% by volume to about 16% by volume and less. As shown for all three flame temperatures, the NO x values at 16 volume percent oxygen are less than 10 ppm and in one case less than 5 ppm, which represents a significant reduction in NO x values from the baseline.

Obwohl nur einige bestimmte Merkmale der Erfindung hierin dargestellt und beschrieben wurden, werden viele Modifikationen und Änderungen für den Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich sein. Es dürfte sich daher verstehen, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen und Änderungen soweit sie in den tatsächlichen Erfindungsgedanken der Erfindung fallen, abdecken sollen.Even though only a few specific features of the invention are illustrated herein and are described, many modifications and changes for the expert be evident in the field. It should therefore be understood that the attached claims all such modifications and changes as far as they are in the actual Invention ideas of the invention are intended to cover.

1010
Turbinensystemturbine system
1212
Verdichtercompressor
1414
Brennkammercombustion chamber
1616
Turbineturbine
1818
Luftzerlegungseinheit (ASU)Air separation unit (ASU)
2020
Luftair
2222
DruckluftstromCompressed air flow
2424
Zweiter Luftstromsecond airflow
2626
Sauerstoffstromoxygen stream
2828
Sauerstoffarmer StromLow oxygen electricity
3030
Brennstofffuel
3232
Hochtemperatur-AbgasHigh-temperature exhaust gas
3434
Generatorgenerator
3636
NOx-armes Abgas mit niedriger TemperaturLow-temperature low-NOx NO x exhaust
5050
Weitere Ausführungsform der ErfindungFurther embodiment the invention
5151
Verdichtercompressor
5252
MischdruckluftstromMixing compressed air flow
5454
Erststufen-VerdichterabschnittFirst-stage compressor section
5656
Zweitstufen-VerdichterabschnittSecond stage compressor section
5858
DrucksluftstromCompressed air flow
6060
Zwischenkühlerintercooler
6262
MischdruckluftstromMixing compressed air flow
100100
Weitere Ausführungsform der ErfindungFurther embodiment the invention
102102
Erster Abschnittfirst section
104104
Zweiter Abschnittsecond section
106106
Mischermixer
108108
Mischstrommixed stream
200200
Weitere Ausführungsform der ErfindungFurther embodiment the invention
202202
Vergasungseinrichtunggasifier
204204
Kohlenstoffhaltiges MaterialCarbonaceous material
206206
Synthesegassynthesis gas
208208
Abschnittsection
210210
SynthesegasverarbeitungssystemSynthesis gas processing system
212212
Gereinigter Brennstoffpurified fuel
300300
Weitere Ausführungsform der ErfindungFurther embodiment the invention
302302
Erststufen-VerdichterFirst-stage compressor
304304
Zweitstufen-VerdichterSecond-stage compressor
306306
DruckluftstromCompressed air flow
400400
Weitere Ausführungsform der ErfindungFurther embodiment the invention
304304
Zweitstufen-VerdichterSecond-stage compressor
402402
Gemischte Druckströmungmixed pressure flow
500500
Weitere Ausführungsform der ErfindungFurther embodiment the invention
502502
(HRSG)(HRSG)
504504
Dampfsteam
506506
Abgas mit reduzierter Temperaturexhaust with reduced temperature
508508
StromaufteilungseinrichtungCurrent split means
510510
Erster Abschnittfirst section
512512
Zweiter Abschnittsecond section
514514
Kohlendioxid-BeseitigungssystemCarbon dioxide-removal system
516516
Pumpepump
518518
WasserbeseitigungssystemWater disposal system
520520
Wasserarmer StromPoor water electricity
522522
Sauerstoffarmer DruckluftstromLow oxygen Compressed air flow
600600
Eine AusführungsformA embodiment
602602
Wärmetauscherheat exchangers
700700
Weitere Ausführungsform der ErfindungFurther embodiment the invention

Claims (13)

Turbinensystem (10) aufweisend: einen Verdichter (12) zum Komprimieren eines ersten Luftstroms (20) zum Erzeugen eines Druckluftstroms (22); eine Luftzerlegungseinheit (18) zum Aufnehmen und Zerlegen eines zweiten Luftstroms (24) in Sauerstoff (26) und einen sauerstoffarmen Strom (28); eine Brennkammer (14) zum Aufnehmen und Verbrennen wenigstens eines Teils des sauerstoffarmen Stroms (28), eines Teils des Druckluftstroms (22) und eines Brennstoffes (30), um Hochtemperatur-Abgas (32) zu erzeugen; und eine Turbine (16) zum Aufnehmen und Expandieren des Hochtemperatur-Abgases (32), um Elektrizität und NOx-armes Abgas (36) mit reduzierter Temperatur zu erzeugen.Turbine system ( 10 ) comprising: a compressor ( 12 ) for compressing a first air stream ( 20 ) for generating a compressed air stream ( 22 ); an air separation unit ( 18 ) for receiving and disassembling a second air stream ( 24 ) in oxygen ( 26 ) and an oxygen-poor stream ( 28 ); a combustion chamber ( 14 ) for receiving and burning at least part of the oxygen-poor stream ( 28 ), part of the compressed air flow ( 22 ) and a fuel ( 30 ) to high-temperature exhaust gas ( 32 ) to create; and a turbine ( 16 ) for receiving and expanding the high-temperature exhaust gas ( 32 () To electricity and low NOx emission 36 ) with reduced temperature. Turbinensystem (10) gemäß Anspruch 1, wobei der sauerstoffarme Strom (28) weniger als etwa 20 Volumenprozent Sauerstoff hat.Turbine system ( 10 ) according to claim 1, wherein the oxygen-poor stream ( 28 ) has less than about 20 volume percent oxygen. Turbinensystem (10) gemäß Anspruch 1, wobei der NOx-arme Abgasstrom (36) einen NOx-Pegel von weniger als etwa 30 ppm hat.Turbine system ( 10 ) according to claim 1, wherein the NO x low-emission exhaust gas stream ( 36 ) has a NO x level of less than about 30 ppm. Turbinensystem (10) gemäß Anspruch 1, wobei das NOx-arme Abgas (36) einem HRSG (502) für die Erzeugung von Dampf und eines Abgases (506) mit reduzierter Temperatur zugeführt wird.Turbine system ( 10 ) According to claim 1, wherein the low NOx exhaust gas ( 36 ) an HRSG ( 502 ) for the production of steam and an exhaust gas ( 506 ) is supplied at a reduced temperature. Turbinensystem (10) gemäß Anspruch 4, wobei der Dampf einem Nachschaltkreislauf für die Erzeugung von zusätzlicher Elektrizität zugeführt wird.Turbine system ( 10 ) according to claim 4, wherein the steam is supplied to a Nachschaltkreislauf for the generation of additional electricity. Turbinensystem (10) gemäß Anspruch 5, wobei das Abgas (506) mit reduzierter Temperatur in einen ersten Teil aufgeteilt wird, der einem Kohlendioxidbeseitigungssystem (514) zugeführt wird, und in einen zweiten Teil, der dem Verdichter (12) zur Kompression zusammen mit dem ersten Luftstrom (20) zugeführt wird.Turbine system ( 10 ) according to claim 5, wherein the exhaust gas ( 506 ) is divided at a reduced temperature into a first part corresponding to a carbon dioxide removal system ( 514 ) and into a second part of the compressor ( 12 ) for compression together with the first air stream ( 20 ) is supplied. Turbinensystem (10), aufweisend: eine Luftzerlegungseinheit (18) zum Zerlegen von Luft in Sauerstoff (26) und einen sauerstoffarmen Strom (28); einen Verdichter (12) zum Komprimieren von Luft (20) und wenigstens eines Teils von dem sauerstoffarmen Strom (28), um einen Mischdruckluftstrom (52) zu erzeugen; eine Brennkammer (14) zum Aufnehmen und Verbrennen wenigstens eines Teils des Mischdruckluftstroms (52) und eines Brennstoffes (30), um ein Hochtemperatur-Abgas (32) zu erzeugen; und eine Turbine (16) zum Aufnehmen und Expandieren des Hochtemperatur-Abgases (32), um Elektrizität und NOx-armes Abgas (36) mit reduzierter Temperatur zu erzeugen.Turbine system ( 10 ), comprising: an air separation unit ( 18 ) for decomposing air into oxygen ( 26 ) and an oxygen-poor stream ( 28 ); a compressor ( 12 ) for compressing air ( 20 ) and at least part of the oxygen-poor stream ( 28 ) to a mixed compressed air flow ( 52 ) to create; a combustion chamber ( 14 ) for receiving and burning at least part of the mixed compressed air flow (US Pat. 52 ) and a fuel ( 30 ) to a high temperature exhaust gas ( 32 ) to create; and a turbine ( 16 ) for receiving and expanding the high-temperature exhaust gas ( 32 () To electricity and low NOx emission 36 ) with reduced temperature. Vergasungssystem, aufweisend: eine Luftzerlegungseinheit (18) zum Zerlegen von Luft in Sauerstoff (26) und einen sauerstoffarmen Strom (28); eine Vergasungseinrichtung (202) zum Reagieren des Sauerstoffs (26) und eines kohlenstoffhaltigen Materials (204), um ein Synthesegas (206) zu erzeugen; ein Synthesegasverarbeitungssystem (210) zum Umwandeln des Synthesegases (210) in einen gereinigten Brennstoff (212); und ein Gasturbinensystem (10), aufweisend: einen Verdichter (12) zum Komprimieren von Luft (20) zum Erzeugen eines Druckluftstroms (22); eine Brennkammer (14) zum Aufnehmen und Verbrennen wenigstens eines Teils des sauerstoffarmen Stroms (28) und wenigstens eines Teils des Druckluftstroms (22) und wenigstens eines Teils des gereinigten brennbaren Brennstoffs (212), um ein Hochtemperatur-Abgas (32) zu erzeugen; und eine Turbine (16) zum Aufnehmen und Expandieren des Hochtemperaturgases (32), um Elektrizität und NOx-armes Abgas (36) mit reduzierter Temperatur zu erzeugen.Gasification system comprising: an air separation unit ( 18 ) for decomposing air into oxygen ( 26 ) and an oxygen-poor stream ( 28 ); a gasification device ( 202 ) for reacting the oxygen ( 26 ) and a carbonaceous material ( 204 ) to a synthesis gas ( 206 ) to create; a synthesis gas processing system ( 210 ) for converting the synthesis gas ( 210 ) into a purified fuel ( 212 ); and a gas turbine system ( 10 ), comprising: a compressor ( 12 ) for compressing air ( 20 ) for generating a compressed air stream ( 22 ); a combustion chamber ( 14 ) for receiving and burning at least part of the oxygen-poor stream ( 28 ) and at least part of the compressed air flow ( 22 ) and at least part of the purified combustible fuel ( 212 ) to a high temperature exhaust gas ( 32 ) to create; and a turbine ( 16 ) for receiving and expanding the high-temperature gas ( 32 () To electricity and low NOx emission 36 ) with reduced temperature. Vergasungssystem nach Anspruch 8, wobei der Verdichter wenigstens einen Erststufen-Verdichterabschnitt (54) und einen Zweitstufen-Verdichterabschnitt (56) aufweist.Gasification system according to claim 8, wherein the compressor comprises at least one first stage compressor section ( 54 ) and a second stage compressor section ( 56 ) having. Vergasungssystem nach Anspruch 9, welches ferner einen Zwischenkühler (60) aufweist, wobei der sauerstoffarme Strom (28) in den Zwischenkühler zur Vermischung mit einem Druckluftstrom aus dem Erststufen-Verdichterabschnitt (54) geleitet wird, um eine Mischstrom zu erzeugen, der dem Zweitstufen-Verdichterabschnitt (56) zugeführt wird.Gasification system according to claim 9, further comprising an intercooler ( 60 ), wherein the oxygen-poor stream ( 28 ) into the intercooler for mixing with a stream of compressed air from the first stage compressor section ( 54 ) to produce a mixed stream which is fed to the second stage compressor section ( 56 ) is supplied. Verfahren zum Reduzieren von Emissionen mit den Schritten: Erzeugen eines sauerstoffarmen Stroms (28); Erzeugen eines Druckluftstroms (58); Verbrennen wenigstens eines Teils des sauerstoffarmen Stroms, eines Teils des Druckluftstroms und eines Brennstoffs, um ein Hochtemperatur-Abgas (32) zu erzeugen; Expandieren des Hochtemperaturgases, um Elektrizität und ein NOx-armes Abgas zu erzeugen.A method for reducing emissions, comprising the steps of: generating an oxygen-poor stream ( 28 ); Generating a compressed air flow ( 58 ); Burning at least a portion of the low oxygen stream, a portion of the compressed air stream, and a fuel to produce a high temperature exhaust gas ( 32 ) to create; Expanding the high-temperature gas to generate electricity and a low NOx emission. Verfahren zum Reduzieren von Emissionen nach Anspruch 11, ferner mit den Schritten: Verwenden des NOx-armen Abgases zum Erzeugen von Dampf und Abgas (36) mit reduzierter Temperatur.The method of reducing emissions of claim 11, further comprising the steps of: using the low NO x exhaust gas to generate steam and exhaust gas ( 36 ) with reduced temperature. Verfahren zum Reduzieren von Emissionen nach Anspruch 12, ferner mit den Schritten: Zuführen eines ersten Teils des Abgases (36) mit reduzierter Temperatur zu einem Kohlendioxidbeseitigungssystem (514); und Komprimieren und Mischen eines zweiten Teils des Abgases (36) mit reduzierter Temperatur mit dem Luftstrom, um eine sauerstoffarmen Druckluftstrom zu erzeugen.A method of reducing emissions according to claim 12, further comprising the steps of: supplying a first portion of the exhaust gas ( 36 ) at a reduced temperature to a carbon dioxide removal system ( 514 ); and compressing and mixing a second portion of the exhaust gas ( 36 ) at a reduced temperature with the air stream to produce an oxygen-poor compressed air stream.
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